Todd Castoe，德州大学阿灵顿分校
德克萨斯大学阿灵顿分校的生物学家和一个国际合作团队的一项新研究首次全面解释了蛇毒调节系统是如何进化的，这是一个阐明新的复杂性状进化的重要例子。
UTA生物学教授Todd Castoe是这篇论文的通讯作者，题为“蛇毒基因表达由新颖的调控结构和多种增选脊椎动物途径整合协调”它发表在6月1日的《Genome Research》上。
Castoe说:“关于新的监管体系如何进化来驱动新的复杂特征，我们有相对较少的详细例子。这项研究提供了一个有价值的例子，说明了进化如何重组调控网络的数量惊人的独特‘策略’，为这种重组如何发生在包括人类在内的其他物种提供了关键预期。”
自从达尔文在19世纪引入自然选择进化论以来，生物学家一直在努力理解新的复杂性状是如何进化的。
蛇的毒液和毒液系统就是这种复杂特征的一个例子。Castoe说，关于它们的分子机制或这种调节系统的基因组和进化起源，我们知之甚少。
“这项工作让我们更好地了解蛇毒是如何进化的，以及蛇毒生产是如何在基因组水平上发挥作用的，”犹他大学校友、华盛顿州立大学生物科学学院博士后Blair perry说，他是这篇新论文的主要作者。
perry说:“除了研究特定的毒液基因外，我们现在还可以研究与这些基因调控有关的基因组部分。”perry于2021年在加州大学洛杉矶分校获得博士学位，Castoe是他的指导教师。“这为了解蛇毒的变异如何与基因组的变异相对应提供了新的机会。”
2019年，世界卫生组织宣布蛇咬伤是一种被忽视的热带病。治疗蛇咬伤的主要挑战是不同蛇类种群和种类的蛇毒成分的极端差异。
Castoe说:“我们的工作首次描述了驱动蛇毒表达的调控架构，为理解控制蛇毒变异的分子相互作用提供了关键的背景。”
蛇毒的进化需要蛇毒腺高度特化，以产生和储存各种各样的致命蛋白质混合物，然后输送给受害者。毒液腺被认为是从祖先的唾液腺进化而来的，但是perry和他的同事们指出，这也需要进化新的调控序列和重新利用现有的调控系统来控制这些危险基因的精确表达。
北科罗拉多大学(University of Northern Colorado)生物学教授、该研究的合著者Stephen Mackessy说:“考虑到理解这种复杂化学武器系统的起源和维护面临的挑战。”毒液主要由重组的调节蛋白和肽组成，过度表达并储存在离蛇大脑仅几毫米的特殊腺体中。这些毒素必须是稳定的，但随时准备离开，他们可以储存很长一段时间。
“我们早期的工作已经证明了几种促进这种长期储存的机制存在，但导致这些系统的调节、进化和多样化的过程在很大程度上仍然是未知的。这项研究表明，除了毒素基因，脊椎动物常见的调控途径也被增选来控制这个系统。”
英国利物浦热带医学院蛇咬伤研究与干预中心主任、教授Nicholas Casewell是该领域的专家，但他没有参与这项工作。他说，蛇毒是了解动物基因型和表型之间联系的宝贵系统，这些生物化学活性分泌物对人类也有重大影响，因为每年有超过10万人被蛇咬死。他指出，尽管它很重要，但科学家对蛇毒的调节仍然知之甚少。
“在这项研究中，作者应用了各种各样的前沿方法来研究这个话题，以及他们随后收集的调控序列、转录因子、信号级联和染色质可及性数据及相关分析为蛇毒系统的调控结构提供了完全无与伦比的洞见。”Casewell说。“他们的发现代表着向前迈出的一大步，帮助我们更好地理解与内部生理过程相关的基因如何以毒液的形式被重新用于外部使用。”
科罗拉多大学博尔德分校博士后Giulia pasquesi是这篇论文的合著者之一，她于2020年在UTA获得博士学位，Castoe是她的指导教师。她研究了转座因子(TE)——在基因组上从一个位置移动到另一个位置的DNA序列——在蛇毒进化中的作用。
pasquesi说:“蛇特有的TEs是否促进了蛇特有性状的进化，就像在哺乳动物身上发生的胎盘等关键性状一样，至今仍是一个令人着迷的悬而未决的问题。这项研究的一个发现表明，生物创新的出现遵循重复的模式，特别是TEs可以引入新的调控序列，最终促进新的复杂性状的进化。”
perry说，这项研究还表明，在试图理解一种特征如何发挥作用和进化时，考虑多层生物复杂性的价值。
perry说:“通过结合多种类型的基因组数据，我们能够更全面地了解在毒液基因的调节和进化中发挥作用的各种因素。更广泛地说，这项工作为进化的特质提供了一个有价值的例子。人们可能会认为所有的毒液基因都遵循着相同的进化策略来参与毒液。相反，我们的发现表明，不同的基因组和进化过程在特定毒液基因的进化中发挥了关键作用。”
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